【導讀】SiC 等寬禁帶 (WBG) 器件對于當今汽車(chē)和可再生能源等應用至關(guān)重要。隨著(zhù)我們的世界逐漸轉向使用可持續能源（主要是電力），能效比以往任何時(shí)候都更重要。提高開(kāi)關(guān)模式能效的方法之一是降低銅損和開(kāi)關(guān)損耗。然而，為了應對這一挑戰，直流母線(xiàn)電壓不斷上升，半導體技術(shù)必須發(fā)展以跟上步伐。這些技術(shù)對企業(yè)實(shí)現碳減排承諾至關(guān)重要。在本文中，安森美(onsemi)將探討下一代 SiC 器件如何演進(jìn)以應對最新應用的挑戰，本文還將闡釋穩健的端到端供應鏈對于確保持續成功的重要性。
在眾多應用領(lǐng)域，有諸多不同因素正在推動(dòng)技術(shù)加速發(fā)展。以工業(yè)和汽車(chē)這兩個(gè)最重要的市場(chǎng)為例，主導的關(guān)鍵趨勢是提高能效、縮小外形和利用圖像傳感提升感知能力。
在工業(yè)領(lǐng)域，MOSFET 和功率模塊的進(jìn)步正被用于優(yōu)化各種工業(yè)系統的能效和系統成本。有兩個(gè)領(lǐng)域特別受益，即電動(dòng)汽車(chē)充電基礎設施和替代/可再生能源應用（如太陽(yáng)能）。
成本和性能是許多工業(yè)應用共同的主線(xiàn)。設計人員要解決的挑戰是，在不增加尺寸的情況下讓太陽(yáng)能逆變器輸送更多電力，或者降低與儲能相關(guān)的散熱成本。降低充電成本是普及電動(dòng)乘用車(chē)的重要途徑。然而，至關(guān)重要的是，要通過(guò)壁掛式直流充電樁或直流快速充電，實(shí)現更快的充電能力，而不需要額外的散熱。
在汽車(chē)領(lǐng)域，能效與車(chē)輛的行駛里程以及車(chē)載電子設備的尺寸、重量和成本密切相關(guān)。在電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)中，與部署 IGBT 功率模塊相比，部署 SiC 方案可帶來(lái)顯著(zhù)的性能提升。同時(shí)，車(chē)用 CPU、LED 照明和車(chē)身電子設備也能從更好的電源管理中獲益。
主驅逆變器是一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，它會(huì )影響車(chē)輛的整體能效，因而限定了行駛里程。根據行駛場(chǎng)景，輕型乘用車(chē)大部分時(shí)間是在輕載工況下行駛，因此相比 IGBT 方案，SiC 提高能效的優(yōu)勢顯而易見(jiàn)。此外，車(chē)載充電器 (OBC) 尺寸需要盡可能小。只有支持高開(kāi)關(guān)頻率的寬禁帶器件才能實(shí)現更小的外形尺寸。節省的每一盎司能量都能增加車(chē)輛的總行駛里程，從而減輕里程焦慮。
SiC 技術(shù)用于當今應用中的優(yōu)勢
汽車(chē)和工業(yè)應用中的所有電源轉換都依賴(lài)基于半導體的開(kāi)關(guān)器件和二極管去實(shí)現高能效和降低轉換損耗。因此，半導體行業(yè)一直在努力提高電源應用中使用的硅基半導體器件的性能，特別是 IGBT、MOSFET 和二極管。加之電源轉換拓撲結構的創(chuàng )新，可實(shí)現前所未有的性能。
圖 1：多種應用需要充分利用SiC 技術(shù)的優(yōu)勢
無(wú)論是用于汽車(chē)主驅、太陽(yáng)能逆變器抑或電動(dòng)汽車(chē)充電器，基于 SiC 的 MOSFET 和二極管產(chǎn)品都能提供比現有硅基 IGBT 和整流器更好的性能和更低的系統級成本。SiC 的寬帶隙特性支持比硅更高的臨界場(chǎng)，因此可實(shí)現更高的阻斷電壓能力，例如 1700 V 和 2000 V。而且，SiC 的電子遷移率和飽和速度本質(zhì)上就高于 Si 器件，因此能夠在顯著(zhù)更高的頻率和結溫下工作，這兩點(diǎn)都是非常有優(yōu)勢的。此外，基于 SiC 的器件開(kāi)關(guān)損耗相對更低，頻率更高，，這有助于減小相關(guān)無(wú)源元件（包括磁性元件和電容）的尺寸、重量和成本。
圖 2：SiC 等寬禁帶材料給電源系統帶來(lái)多方面好處
由于導通損耗和開(kāi)關(guān)損耗顯著(zhù)降低，基于 SiC 的電源方案產(chǎn)生的熱量更少。另外，SiC 器件能夠在高達 175°C 的結溫 (Tj) 下工作，這意味著(zhù)對風(fēng)扇和散熱器等散熱措施的需求顯著(zhù)減少，系統尺寸、重量和成本得以節省，并且即使在具有挑戰性、空間受限的應用中也能確保更高的可靠性。
對更高電壓器件的需求
SiC 的寬帶隙特性支持比硅更高的臨界場(chǎng)，因此可實(shí)現更高的阻斷電壓能力，例如 1700 V 和 2000 V。對于給定的功率，提高電壓會(huì )降低總電流需求，從而降低總銅損。在太陽(yáng)能光伏 (PV) 系統等可再生能源應用中，來(lái)自 PV 板的直流母線(xiàn)電壓已從 600 V 提高到 1500 V 以提升能效。類(lèi)似地，輕型乘用車(chē)正從 400 V 母線(xiàn)過(guò)渡到 800 V 母線(xiàn)（某些情況下為 1000 V 母線(xiàn)），以提高能效并縮短充電時(shí)間。過(guò)去，對于 400 V 母線(xiàn)電壓，所用器件的額定電壓為 750 V，但現在需要更高的額定電壓，例如 1200 V，甚至 1700 V，以確保器件在這些應用中可靠地工作。
最新技術(shù)
為了滿(mǎn)足更高擊穿電壓的需求，安森美開(kāi)發(fā)了一系列 1700 V M1 平面 EliteSiC MOSFET 器件，針對快速開(kāi)關(guān)應用進(jìn)行了優(yōu)化。NTH4L028N170M1 是這首批器件中的一款，其 VDSS 為 1700 V，并且具有更高的 VGS 為-15/+25 V 。該器件的 RDS(ON) 典型值超低僅 28 mW。
新型 1700 V MOSFET 可以在高達 175°C 的結溫 (Tj) 下工作，相關(guān)的散熱器尺寸可以大幅減小，甚至完全無(wú)需散熱器。NTH4L028N170M1 的第四個(gè)引腳上有一個(gè)開(kāi)爾文源極連接（TO-247-4L 封裝），這可以降低導通功耗和柵極噪聲。還有一種 D2PAK–7L 配置，它能進(jìn)一步減小 NTBG028N170M1 等器件中的封裝寄生效應。
圖 3：安森美的新型 1700 V EliteSiC MOSFET
安森美即將推出采用 TO-247-3L 和 D2PAK-7L 封裝的 1700 V 1000 mW SiC MOSFET，適用于電動(dòng)汽車(chē)充電和可再生能源應用中的高可靠性輔助電源單元。
除 MOSFET 之外，安森美還開(kāi)發(fā)了一系列 1700 V SiC 肖特基二極管。具有該額定值的 D1 系列器件可在二極管的 反向峰值電壓(VRRM) 和反向重復峰值電壓之間提供更大的電壓裕量。特別是，新器件即使在高溫下也能提供更低的 正向峰值電壓(VFM)、最大正向電壓和出色的反向漏電流，使設計人員能夠實(shí)現在高溫高壓下穩定運行的設計。
圖 4：安森美的新型 1700 V 肖特基二極管
新器件（NDSH25170A 和 NDSH10170A）可以 TO-247-2L 封裝和裸片兩種形式供貨，還有一種無(wú)封裝的 100 A 版本。
供應鏈考量
在某些行業(yè)，供應鏈受到組件供應的牽制，因此在選擇新器件和技術(shù)時(shí)，考慮供應能力非常重要。為了確保對客戶(hù)的供應穩妥可靠以支持快速增長(cháng)，安森美最近收購了GT Advanced Technologies (GTAT)。此舉不僅鞏固了供應鏈，還能使安森美利用 GTAT 的技術(shù)經(jīng)驗。
目前，安森美是為數不多的具有端到端SiC供貨能力的大規模供應商，包括批量SiC晶錠生長(cháng)、襯底、外延、器件制造、出色的集成模塊和分立封裝方案。
為支持未來(lái)幾年SiC的預期增長(cháng)，安森美計劃在2023年前將襯底產(chǎn)能增加5倍，并大力投資將器件及模塊產(chǎn)能增加一倍，隨后，到2024年，產(chǎn)能將再次翻倍，并有能力在未來(lái)再次將產(chǎn)能翻倍。
總結
借助 SiC 的性能，設計人員將能滿(mǎn)足當今具挑戰的應用需求，包括汽車(chē)、可再生能源和工業(yè)應用的需求，尤其是功率密度和散熱方面。
SiC 技術(shù)在逐漸成熟，關(guān)鍵應用領(lǐng)域在不斷發(fā)展和進(jìn)步，因此 SiC 也必須同步發(fā)展以滿(mǎn)足日益增長(cháng)的需求。例如，對更高擊穿電壓的需求，安森美推出了新的 1700 V SiC MOSFET 和二極管滿(mǎn)足了這一需求。此外，安森美目前正在開(kāi)發(fā) 2000 V SiC MOSFET 技術(shù)，以支持太陽(yáng)能、固態(tài)變壓器和電子斷路器等新興應用。
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